在中子被發現之前，人們對原子核的結構認識很少。在1911年，英國物理學家盧瑟福根據α粒子散射實驗的結果，提出了原子核由一個微小、帶正電的核和若干個繞核運動的電子組成的結構模型。1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子，發現了質子的存在。

當時，人們只知道質子和電子這兩種粒子，所以在20世紀20年代，人們普遍認為原子核由質子和電子組成，并假定原子核的質量數為N，原子序數為Z，則原子由N個質子和N-Z個電子組成，這被稱為“質子-電子”模型。但是，這個模型面臨一些困難。

為了解決這些困難，盧瑟福提出，如果把一個質子和一個電子組合成一個復合粒子，看作是一種新的粒子——“中子”，則可以解釋一些原子核的性質。中子是一種沒有電荷的粒子，質量與質子相近，能夠穩定地存在于原子核內部。他認為，中子的發現將有助于闡明許多現象，例如原子核的質量、同位素的存在等。

居里夫婦認為，這是因為他們測量的γ射線能量是平均值，而實際上可能有更高能量的γ射線存在。他們還試圖用其他物質代替石蠟，但都沒有得到滿意的結果。他們對這種鈹輻射感到非常困惑和不解。

查德威克很快重復了上述實驗。他用α粒子轟擊鈹，再用鈹產生的射線轟擊氫、氮等不同元素，并用云室和蓋革計數器來觀察和測量被打出來的粒子。通過這樣，他判斷這種射線不可能是γ射線。因為γ射線沒有足夠的動量來將質子從原子中打出。他認為從鈹中放出的射線是一種質量與質子相當但不帶電的粒子，才能解釋實驗現象，這種粒子就是“中子”。

中子的發現引起了物理學界的轟動，因為它揭示了原子核的真實構造和特征。科學家們利用中子作為探測原子核結構和合成新元素的工具，并發現了核裂變和鏈式反應等重要現象。這些發現為后來的核能利用和核武器制造奠定了理論和技術基礎。1935年，查德威克因為這項發現被授予諾貝爾物理學獎。